Плоский конденсатор

Коли провідники плоскі (металеві пластинки) та паралельно розташовані, то конденсатор називається плоским. Для отримання великої ємності конденсатора потрібно було би брати дві достатньо великі пластини, що незручно у практиці. Тому беруть маленькі пластини, але в потрібній кількості, й з’єднають їх як показано на рис. 4.4. У цьому випадку роль великої пластини, яка заряджена позитивно, виконують усі маленькі пластинки, зарядженні позитивно й з’єднанні між собою; роль великої пластини, яка заряджена негативно, виконують усі маленькі пластинки, зарядженні негативно та з’єднанні між собою.

Ємність плоского конденсатора, який складається з двох пластин, прямо пропорційна площині його пластин (обкладок), та обернено пропорційна товщині діелектрика (відстань між пластинами) та залежить від властивостей діелектрика, який заповнює простір між пластинами:

,

де - площина пластин, м²

- товщина діелектрика (відстань між пластинами), м

- відносна діелектрична проникність діелектрика,

- електрична постійна вакууму,

Сила взаємодії між обкладинками плоского конденсатора - , Н.

Рисунок 4.4 - Схема з’єднання пластин у плоскому конденсаторі

Для плоского конденсатора з пластинами ємність визначається за формулою:

Таким чином, ємність плоского конденсатора не залежить від величини прикладеної напруги та величини заряду, конденсатор має постійну ємність при незмінній діелектричній проникності діелектрика. Коли між пластинами плоского конденсатора розташовані два різних діелектрика, то конденсатор представляють, як два послідовно з’єднаних конденсатора з ємностями:

,

,

де та - діелектрична проникність та товщина першого діелектрика,

та - діелектрична проникність та товщина другого діелектрика.

Так як загальна ємність еквівалентного конденсатора для послідовного сполучення конденсаторів буде: , то

При послідовному сполученні заряди однакові, тоді загальна напруга буде:

Напруги на першому та другому конденсаторах:

та

Напруженості електричного поля у першому та другому шарах діелектрика:

та

Тобто напруженості поля обернено пропорційні діелектричним проникностям:

4.3 Циліндричний конденсатор

У циліндричному конденсаторі електричне поле утворюється між двома циліндричними поверхнями з загальною віссю й має радіальний напрямок.

Рисунок 4.5 –Циліндричний конденсатор

Ємність циліндричного конденсатора буде дорівнювати:

де - довжина конденсатора, м

та - радіуси внутрішнього та зовнішнього циліндрів відповідно, м

Напруженість електричного поля у точці, яка удалена від вісі на відстань L:

Найбільша напруженість поля - на поверхні внутрішнього циліндра, найменша - на поверхні зовнішнього, а найменша напруженість на поверхні внутрішнього циліндра має місце, коли внутрішній діаметр менше зовнішнього в е =2,7 раз.

4.4 Енергія електричного поля конденсатора

Всякий заряджений конденсатор володіє енергією, яку він отримує у процесі зарядки (W). При розрядці конденсатор віддає цю енергію: половину на створення електричного поля (W₀) й половину на виділення тепла (W_т). Енергія конденсатора дорівнює тій роботі, яка виконується при збільшенні потенціалу на обкладинках конденсатора від нуля до величини прикладеної напруги (U) - , Дж.

5 Найпростіше електричне коло та його елементи

5.1 Електричні кола та його елементи. Схема електричного кола

Електричне коло - це сукупність електротехнічних пристроїв, які утворюють шлях для проходження електричного струму. Електрична схема (чи схема електричного кола) - це графічне зображення електричного кола, яке відображає його властивості й послідовність з’єднання його ділянок (рис.5.1).

Рисунок 5.1 - Приклад схеми електричного кола

Елементи електричного кола:

1 Джерела живлення або електроенергії. Це елементи, які дозволяють переміщувати електричний заряд від меншого потенціалу до більшого. Як джерела живлення використовуються генератори (електричні машини, які перетворюють механічну енергію в електричну), первісні елементи й акумулятори (перетворюють хімічну енергію в електричну), термогенератори (термопари). Таким чином, в джерелі живлення відбувається перетворення будь-якого виду енергії в електричну. В результаті роботи неелектричних сил кожний одиничний заряд при русі усередині джерела придбає енергію. Величина, яка чисельно дорівнює цій енергії, називається електрорушійною силою (ЕРС). Таким чином, ЕРС - це величина, яка чисельно дорівнює енергії, яку отримує усередині джерела одиничний електричний заряд в результаті роботи неелектричних сил. Позначається - Е,В. ЕРС - векторна величина, направлена від негативного затискача до позитивного.

Різниця ЕРС та напруги уявляє собою енергію, яка перетворюється у тепло при переміщенні заряду в джерелі живлення й називається внутрішнім падінням напруги. Позначається - , В.

Джерело з його внутрішнім опором (будемо позначати як r₀) розглядають як внутрішнє електричне коло. Споживачів та провода - як зовнішнє електричне коло. При відключені зовнішнього кола ЕРС дорівнює напрузі на зажимах джерела. Устаткування, в якому виникає ЕРС, називають джерелом ЕРС. Ідеальне джерело ЕРС - це джерело електричної енергії, на зажимах якого напруга постійна й не залежить від струму, який проходе через джерело. Устаткування, в якому виникає струм, називають джерелом струму. Ідеальне джерело струму - це джерело електричної енергії, через яке проходить струм, який є постійним й незалежним від напруги на затискачах цього джерела. Умовні графічні зображення джерел живлення вказані на рисунках 5.25.4.

Рисунок 5.2 - Умовне графічне зображення ідеального джерела ЕРС

Рисунок 5.3 - Умовне графічне зображення ідеального джерела струму

Рисунок 5.4 - Умовне графічне зображення первісного елементу

2 Споживачі електричної енергії (приймачі). В них електроенергія перетворюється у теплову, механічну, хімічну тощо енергії. Споживачами електроенергії є електродвигуни, електропечі, електролізні, термічні, зварювальні устаткування, освітлювальні та побутові прилади, холодильне устаткування, радіо й телеустаткування, медичне та інше устаткування спеціального призначення. Напруга на затискачах споживача - це величина, яка чисельно дорівнює електричній енергії, яка перетворена кожним одиничним електричним зарядом у споживачі. Споживачі електроенергії в електричних схемах характеризуються опором. Напруга на кінцях опору називається падінням напруги.

3 Проводу для передачі електроенергії. Передача електроенергії на відстані виконується за допомогою лінії електропередач (ЛЕП), які діляться на повітряні та кабельні. Проводу виготовляються алюмінієві чи мідні, бувають ізольовані та неізольовані.

4 Комутаційна апаратура - рубильники, контактори, вимикачі...

5 Прилади захисту й автоматики - реле, запобіжники…

6 Вимірювальні прилади - амперметри, вольтметри, ватметри…

7 Прилади обліку - лічильники електроенергії, потужності...

5.2 Електроенергія. Потужність та ККД

Для переносу зарядів у замкнутому колі джерело електроенергії витрачає енергію, яка дорівнює добутку ЕРС джерела на кількість заряду, який перенесений через це коло - .

Якщо напруга на зажимах джерела постійна, електроенергія, яка витрачається у зовнішньому колі - .

Частина енергії у електричному колі втрачається:

Таким чином, електроенергія - це робота струму.

Потужність - це швидкість, з якою виконується робота, чи швидкість, з якою відбувається перетворення енергії, і яка числено дорівнює відношенню роботи до часу, за який вона була виконана. Позначається - Р, Вт.

Величина, яка характеризує швидкість, з якою відбувається перетворення механічної чи іншого виду енергії в електричну в джерелі, називається потужністю генератора:

Величина, яка характеризує швидкість, з якою відбувається перетворення електричної енергії в інші види енергії у зовнішньому колі, називається потужністю споживача:

Потужність, яка характеризує нетехнологічні витрати електроенергії, наприклад на теплові втрати усередині генератора, називається потужністю втрат:

По закону збереження енергії:

Коефіцієнт корисної дії (ККД) показує яка частина, чи який відсоток енергії перетворено, а який втрачено:

ККД вказується у паспортних даних електрообладнання.

Дата добавления: 2013-12-13